孔中雷达技术在水库渗漏隐患探测中的应用

崔双利，潘绍财，孔繁友，刘元锋

（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003）

1 孔中雷达技术原理

孔中雷达可以用单孔反射或跨孔层析成像。对于单孔反射，雷达提供钻孔周围地层的不连续图像。对于跨孔层析，发射和接收在不同的孔中，雷达提供钻孔间的平面图像，在此次探测应用中采用了该种探测方式。

跨孔层析成像用于对两孔间二维模型的物理特性进行处理。层析成像探测时，发射天线在一个钻孔中，接收天线在另一个钻孔中，发射天线在一个固定位置，接收天线在另一个钻孔中沿固定间隔向下移动，扫描整个长度；然后，发射天线往下移动0.5 m，接收天线再扫描整个长度。该步骤重复进行，直到发射天线覆盖整个钻孔为止。对每一个扫描，测量从发射天线到接收天线传播的时间和振幅，这些数据用于创立两孔之间电磁波传播速度的层析成像和衰减特性图。通过直达波振幅、速度和衰减的变化用来解释破碎带，不同岩性的界面和空洞，确定两钻孔中间高含水量区域（如充水的断裂带或管涌）。探测孔的间距取决于天线的频率和介质的电导率，对于一个中心频率为100 MHz的天线，在富含水砂砾石层中，探测孔间距一般为 4～8 m。

2 探测过程

2.1 工程概况

位于辽宁的某水库是一座以灌溉为主、兼有防洪、养殖等综合效益的小型水库。枢纽工程由大坝、溢洪道、输水洞组成。水库坝型为均质坝，坝体为壤土，坝长630 m，坝顶宽5.0 m，最大坝高10.7 m。坝基主要由砾石、夹杂粗砂构成，该层厚度为4.90～17.30 m，为强透水层。大坝存在问题为坝基渗漏较严重，致使坝后存在大面积沼泽区，最严重处坝后某户居民水井水位一直高出地面0.2 m左右，需进行防渗处理。为查清导致坝基渗漏位置区域，尤其是坝后水井较高水位的来源，处理前进行孔中雷达探测。

2.2 测孔布置

该探测项目在大坝基础灌浆之前进行。测孔位置基本以坝后村子老乡家高水位水井为中心，对应坝后渗漏严重区域80～100 m范围内，并在区域外选择一处测孔进行对比探测试验。具体测孔布置如下：在坝顶对应渗漏严重区（桩号：0+156～0+236）选择待灌浆的连续钻孔作为雷达测孔，孔径110 mm，孔深18～19 m，每两个测孔孔间距暂定为8 m，探测总长度为80 m。在距离渗漏区边缘测孔70 m处布置对比试验两测孔（桩号0+306～0+310），详见雷达测孔布置见图1。为防止探测期间塌孔，在雷达杆放入孔内前，先将直径90 mm的PVC硬质塑料管下到孔底护壁，该PVC管对雷达波在介质中传播影响很小，待探测数据采集完成后取出进行孔内灌浆。

图1 雷达测孔布置图

2.3 测孔数据采集

现场采用引进瑞典MALA公司孔中雷达天线进行数据采集，主机为ProEx，采用的主要技术参数为：天线发射和接收频率均为100 MHz，天线间距即为两孔间距8 m，采样频率设置为天线频率的10倍，采样点数为500左右，采样点间隔为0.3 m，后三种参数可根据实际情况做适当调整。由于电磁波信号在导电环境中（如水，砂砾石或粘土等介质）衰减较快，实际探测中发现原来设计采样孔间距8 m过大，多数孔收不到直达波信号。遂通过逐渐缩短采样孔间隔办法，进行数据采集试验，当孔间距缩减为4～5 m时，取得完整直达波信号。考虑到后期灌浆不再重复钻孔，确定采样孔间距为4 m。共获取21组孔完整采样数据。

3 探测结果分析

对跨孔采集原始数据采用瑞典MALA公司的WinTomo跨孔层析成像软件进行数据处理，得到电磁波在两探测孔间介质传播速度或振幅图像。

当解释雷达剖面时，需要知道介质的速度，这样才能准确知道地下各层和地下物体的深度。影响电磁波在地下传播的物理参数是电导率和介电常数，电导率决定电磁波的衰减，介电常数决定电磁波的传播速度。电导率是岩土物性参数之一，在一般的岩石和土壤中，电导率主要受孔隙率、饱和度和流体的导电性影响，它通过常规的电阻率和电磁波技术进行测量。一些典型介质的相对介电常数、电导率和电磁波速度见表1。

在全部处理的图像中，选取渗漏区11号～12号孔间和对比试验，22号～23号孔间层析成像作如下解释。

表1 典型介质的相对介电常数、电导率和电磁波速度

1）由11号～12号孔间介质电磁波传播速度图像（图略），图像中水平坐标为两孔区间距离（m），竖直坐标为钻孔深度距离（m）。探测是从孔顶开始（0点位置），终点（孔底）位置在18 m处。从层析成像中，看到色度不同黑白相间区域，白色区域代表低电磁波速区，黑色区域代表高电磁波速区。在图像上部0～8 m深范围内，黑色占据大部分区域，介质电磁波速一般在80 m/μs以上，说明该区域电磁波速相对较高，解释为这些地方密实度大或含水量少。图像下部8～18 m深范围内，白色区域占比较大，介质电磁波速一般在50 m/μs以下，说明该区域电磁波速较低，地层密实度小或含水量较大。其中图像左下角全白处电磁波的速度在40 m/μs左右,已经完全接近饱和水（水的电磁波速度为33 m/μs）。因此判断图像上部坝体层密实度较大，含水量较小，而图像下部砂砾石层密实度较小，含水量较大。

2）对比试验22号～23号孔间介质电磁波速图像（图略），从层析图像中，同样看到色度不同黑白相间区域，但黑色区域覆盖绝大部分，说明该位置雷达电磁波速普遍较高。尤其图像上部0～7 m深范围内，介质电磁波速度在100 m/μs以上，解释为这些地方密实度大或含水量很少。图像下部7～18 m深范围内，电磁波速度值基本在80～100 m/μs区间内，相对较高，解释为地层密度较大或含水量小。

将11号～12号孔间电磁波速与22号～23号孔间，在同一层位的电磁波速相比，前者明显较低。因此推断在同一层位，11号～12号孔间地层密实度比22号～23号孔间地层密实度要小，而含水量相比，前者比后者明显要大。

4 结 语

1）跨孔雷达层析成像在含水坝基砂砾石地层，一般孔间距在3～5 m范围内直达波信号能够接收到，距离越近，雷达波信号越强。

2）用雷达波在介质中传播速度来解释地层透水情况时，仅能推断地层的密实度或含水量大小等静态特征，而不能反映地下水流动的动态特征。只有结合坝体前后水位差产生的渗压作用，才能进一步判定透水的存在。

3）通过对11号～12号孔与22号～23号孔跨孔层析图像对比，在同一深度层位，电磁波速明显不同，反映出该层位含水量和密实度的不同，考虑水库坝体前后存在渗压作用，就此推断含水量大的11号～12号孔坝基透水性较强，而含水量较小的22号～23号孔坝基透水性较弱。

4）通过对所有探测孔跨孔层析成像进行解释分析，可以发现坝体层土质密实，含水量小，质量较好。坝基砂砾石层含水量较大，其中含水严重部位集中在探测桩号0+156～0+236附近，该区域电磁波速均在50 m/μs左右，接近饱和水，因此判断在渗压作用下，坝基产生了渗透，致使坝后形成了沼泽和居民家水井较高水位。

5）依据探测结果，对测得含水严重部位（桩号0+156～0+236）在灌浆工程实施中，采取增加灌浆排数等措施，竣工后观测取得较好的防渗效果，坝后沼泽区基本消失，居民高水位水井也恢复正常水位。因此从侧面证明探测结果是可靠的。

［1］李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京：地质出版社，1994.